操作系统-第3章习题解析

第三章习题解析

    1.高级调度不低级调度的主要任务是什么？为什么要引入中级调度？

    答：高级调度的主要任务是根据某种算法，把外存上处于后备队列中的那些作业调入内存。低级调度是保存处理机的现场信息，按某种算法先取进程，再把处理器分配给进程。

　　引入中级调度的主要目的是为了提高内存利用率和系统吞吐量。使那些暂时不能运行的进程不再占用内存资源，将它们调至外存等待，把进程状态改为就绪驻外存状态或挂起状态。

    2.处理机调度算法的共同目标是什么？批处理系统的调度目标又是什么？

    答：共同目标：资源利用率，公平性，平衡性，策略强制执行。

           批处理系统的调度目标：平均周转时间短，系统吞吐量高，处理机利用率高。

    3.何谓作业、作业步和作业流？

    答：作业包含通常的程序和数据，还配有作业说明书。系统根据该说明书对程序的运行进行控制。批处理系统中是以作业为基本单位从外存调入内存。

    　　作业步是指每个作业运行期间都必须经过若干个相对独立相互关联的顺序加工的步骤。

    　　作业流是指若干个作业进入系统后依次存放在外存上形成的输入作业流；在操作系统的控制下，逐个作业进程处理，于是形成了处理作业流。

    4.在什么情况下需要使用作业控制块JCB?其中包含了哪些内容？

    答：每当作业进入系统时，系统便为每个作业建立一个作业控制块JCB，根据作业类型将它插入到相应的后备队列中。

       JCB包含的内容通常有：1）作业标识　　2）用户名称　　3）用户账户　　4）作业类型（CPU繁忙型、I/0芳名型、批量型、终端型）　　5）作业状态　　6）调度信息（优先级、作业已运行）

　　7）资源要求　　8）进入系统时间　　9）、开始处理时间　　10）作业完成时间　　11）作业退出时间　　12）资源使用情况等

     5.在作业调度中应如何确定接纳多少个作业和接纳哪些作业？

    答：作业调度每次接纳进入内存的作业数，取决于多道程序度。应将哪些作业从外存调入内存，取决于采用的调度算法。最简单的是先来服务调度算法，较常用的是短作业优先调度算法和基于作业优先级的调度算法。

    7.试说明低级调度的主要功能。

    答：（1）保存处理机的现场信息（2）按某种算法选取进程（3）把处理机分配给进程。

    8.在抢占调度方式中，抢占的原则是什么？

    答：抢占的原则有：时间片原则、优先权原则、短作业优先权原则等。

    9.在选择调度方式和调度算法时，应遵循的准则是什么？

    答：（1）面向用户的准则：周转时间短、响应时间快、截止时间的保证、优先权准则。

           （2）面向系统的准则：系统吞吐量高、处理机利用率好、各类资源的平衡利用。

    10.在批处理系统、分时系统和实时系统中，各采用哪几种进程（作业）调度算法？

    答：批处理系统的调度算法：短作业优先、优先权、高响应比优先、多级反馈队列调度算法。

    　　分时系统的调度算法：时间片轮转法。

   　　 实时系统的调度算法：最早截止时间优先即EDF、最低松弛度优先即LLF算法。

    11.何谓静态和动态优先级？确定静态优先级的依据是什么？

    答：静态优先级是指在创建进程时确定且在进程的整个运行期间保持不变的优先级。

    　　动态优先级是指在创建进程时赋予的优先权，可以随进程推进或随其等待时间增加而改变的优先级，可以获得更好的调度性能。

   　　 确定进程优先级的依据：进程类型、进程对资源的需求和用户要求。

    12.试比较FCFS和SPF两种进程调度算法。

    答：相同点：两种调度算法都可以用于作业调度和进程调度。

   　　 不同点：FCFS调度算法每次都从后备队列中选择一个或多个最先进入该队列的作业，将它们调入内存、分配资源、创建进程、插入到就绪队列。

　　　该算法有利于长作业/进程，不利于短作业/进程。SPF算法每次调度都从后备队列中选择一个或若干个估计运行时间最短的作业，调入内存中运行。该算法有利于短作业/进程，不利于长作业/进程。

    13.在时间片轮转法中，应如何确定时间片的大小?

    答：时间片应略大于一次典型的交互需要的时间。一般应考虑三个因素：系统对相应时间的要求、就绪队列中进程的数目和系统的处理能力。

    14.通过一个例子来说明通常的优先级调度算法不能适用于实时系统？

    答：实时系统的调度算法很多，主要是基于任务的开始截止时间和任务紧急/松弛程度的任务优先级调度算法，通常的优先级调度算法不能满足实时系统的调度实时性要求而不适用。

    15.为什么说多级反馈队列调度算法能较好地满足各方面用户的需要？

    答：终端型用户：由于终端型用户提交的作业多属于交互型作业，通常较小，系统只要能使这些作业在第一队列规定的时间片内完成，便可使终端型用户感到满意

    短批处理作业用户：对于这类作业，如果可在第一队列中执行完成，便获得与终端型作业一样的响应时间。对于稍长的短作业，也只需在第二和第三队列各执行一时间片完成，其周转时间仍然较短。

          长批处理作业用户：对于长作业，它将依次在第1，2，……n个队列中运行，然后再按轮转方式运行，用户不必担心其作业长期得不到处理。

    16.为什么说传统的几种调度算法都不能算是公平调度算法？

    答： 以上介绍的几种调度算法所保证的只是优先运行，如优先级算法是优先级最高的作业优先运行，但并不保证作业占用了多少处理机时间。另外也未考虑到调度的公平性。

    17.保证调度算法是如何做到调度的公平性的？

    答：保证调度算法是另外一种类型的调度算法，它向用户所做出的保证并不是优先运行，而是明确的性能保证，该算法可以做到调度的公平性。

　　一种比较容易实现的性能保证是处理机分配的公平性。如果在系统中有n个相同类型的进程同时运行，为公平起见，须保证每个进程都获得相同的处理机时间1/n。

    18.公平分享调度算法又是如何做到调度的公平性的？

    答： 在公平分享调度算法中，调度的公平性主要是针对用户而言，使所有用户能获得相同的处理机时间，或所要求的时间比例。

    19.为什么在实时系统中，要求系统（尤其是CPU)有较强的处理能力？

    答：在实时系统中，不但包括周期任务、偶发任务、非周期任务，还包括非实时任务。实时任务要求要满足时限，而非实时任务要求要使其响应时间尽可能的短。

   　　 多种类型任务的混合，使系统的可调度性分析更加困难。实际上有些实时系统CPU处理能力并不强，比如一些嵌入式实时系统，这就要求系统尽量少做一些并发计算任务，留出足够冗余处理实时任务。

    20.按调度方式可将实时调度算法分为哪几种？

    答：按调度方式不同，可分为非抢占调度算法和抢占调度算法两种。

    21.什么是最早截止时间优先调度算法，请举例说明之。

    答：根据任务的开始截止时间确定的任务优先级调度算法。截止时间越早则优先级越高。该算法要求在系统中保持一个实时任务就绪队列，该队列按各任务截止时间的先后排序。

    22.什么是最低松弛度优先调度算法，请举例说明之。

    答：该算法是根据任务的紧急（或松弛）程度，来确定任务的优先级。任务的紧急程度越高，为该任务所赋予的优先级就越高，以使之优先执行。

   　　 例如，一个任务在200ms时必须完成，而它本身所需的运行时间就有100ms，因此，调度程序必须在100ms之前调度执行，该任务的紧急程度（松弛程度）为100ms。

　　　又如，另一任务在400ms时必须完成，它本身需要运行150ms，则其松弛程度为250ms。

    　　最早截止时间优先调度算法：任务要求的截止时间越早，其优先级就越高。

   　　 最低松弛度优先调度算法：任务的紧急程度越高，其优先级就越高。

    23.何谓“优先级倒置”现象，可采取什么方法来解决？

    答：当前0S广泛采用优先级调度算法和抢占方式，然而在系统中存在着影响进程运行的资源而可能产生“优先级倒置”的现象，即高优先级进程（或线程）被低优先级进程（或线程）延迟或阻塞。

    24.试分别说明可重用资源和可消耗资源的性质。

    答： 可重用性资源：每一个可重用性资源中的单元只能分配给一个进程使用，不允许多个进程共享。进程在使用可重用性资源时，须按照这样的顺序：请求资源、使用资源、释放资源。

　　系统中每一类可重用性资源中的单元数目是相对固定的，进程在运行期间既不能创建也不能删除它。

           可消耗性资源：每一类可消耗性资源的单元数目在进程运行期间是可以不断变化的，有时它可以有许多，有时可能为0。进程在运行过程中，可以不断创造可消耗性资源的单元，将它们放入该资源类的缓冲区中，以增加该资源类的单元数目。

　　进程在运行过程中，可以请求若干个可消耗性资源单元，用于进程自己的消耗，不再将它们返回给该资源类中。

    25.试举例说明竞争不可抢占资源所引起的死锁。

    答：例如，系统中有两个进程P1和P2，它们都准备写两个文件F1和F2，而这两者都属于可重用和不可抢占性资源。进程P1先打开F1，然后再打开文件F2；进程P2先打开文件F2，后打开F1，下面示出了这段代码。

    　　P1

   　　 P2

  　　 .........

   　　Open(f1,w)；　　　　 Open(f2,w)；

    　　Open(f2,w)；　　　　  Open(f1,w)；

　　 两个进程P1和P2在并发执行时，如果P1先打开F1和F2，然后P2才去打开F1（或F2），由于文件F1（F2)已被P1打开，故P2会被阻塞。当P1写完文件F1（或F2）而关闭F1（F2)时，P2会由阻塞状态转为就绪状态，被调度执行后重新打开文件F1（或F2)。

　　在这种情况下，P1和P2都能正常运行下去。若P2先打开F1和F2，然后P1才去打开F1（或F2），P1和P2同样也可以正常运行下去。

       但如果在Pl打开F1的同时，P2去打开F2，每个进程都占有一个打开的文件，此时就可能出现问题。因为当P1试图去打开F2，而P2试图去打开F1时，

　　这两个进程都会因文件已被打开而阻塞，它们希望对方关闭自己所需要的文件，但谁也无法运行，因此这两个进程将会无限期地等待下去，而形成死锁。

    26.为了破坏“请求和保持”条件而提出了两种协议，试比较这两种协议。

    答：第一种协议在所有进程开始运行之前，必须一次性地申请其在整个运行过程中所需的全部资源，并且在分配资源时，

　只要有一种资源不能满足进程的要求，即使其它所需的各种资源都空闲也不分配给该进程，而让该进程等待。因此有资源被严重浪费、进程经常会发生饥饿现象等缺点。

   　　 第二种协议是对第一种协议的改进，它允许一个进程只获得运行初期所需的资源后，便开始运行。进程运行过程中再逐步释放已分配给自己的，

　且已用毕的全部资源，然后再请求新的所需资源。如此便可提高设备的利用率，还可减少进程发生饥饿的概率。

    27.何谓死锁?产生死锁的原因和必要条件是什么？

    答： (1) 死锁是指多个进程因竞争资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程都将永远不能再向前推进；

　　　 （2）产生死锁的原因有二，一是竞争资源，二是进程推进顺序非法；

　　  （3）必要条件是：互斥条件，请求和保持条件，不剥夺条件和环路等待条件。

    28.在解决死锁问题的几个方法中，哪种方法最易于实现？哪种方法是资源利用率最高？

    答：解决/处理死锁的方法有预防死锁、避免死锁、检测和解除死锁，其中预防死锁方法最容易实现，但由于所施加的限制条件过于严格，会导致系统资源利用率和系统吞吐量降低；而检测和解除死锁方法可是系统获得较好的资源利用率和系统吞吐量。

    29.请详细说明可通过哪些途径预防死锁?

    答：(1) 摒弃"请求和保持"条件：系统规定所有进程开始运行之前，都必须一次性地申请其在整个运行过程所需的全部资源，

　　但在分配资源时，只要有一种资源不能满足某进程的要求，即使其它所需的各资源都空闲，也不分配给该进程，而让该进程等待；

　　 （2）摒弃"不剥夺”条件：系统规定，进程是逐个地提出对资源的要求的。当一个已经保持了某些资源的进程，再提出新的资源请求而不能立即得到满足时，必须释放它已经保持了的所有资源，待以后需要时再重新申请；

　　 （3）摒弃"环路等待"条件：系统将所有资源按类型进行线性排序，并赋予不同的序号，且所有进程对资源的请求必须严格按序号递增的次序提出，这样，在所形成的资源分配图中，不可能再出现环路，因而摒弃了"环路等待"条件。

    30.在教材银行家算法的例子中，如果P₀发出的请求向量由Request0（0,2,0）改为Request0（0，1，0），问系统可否将资源分配给它？

    答：PO发出请求向量Requst0（0，1,0），按银行家算法进行检查：

    ①Request0（0,1,0)≤Need0(7,4,3):

    ②Request0(0,1,0)≤Available(2,3,0)；

 ③系统暂时先假定可为P0分配资源，修改Available，Allocation1和Need1向量在下面数据结构中的数值：

    Available[j]：=Available[j]-Request i[j]；A1location [i,j]：=A1location [i,j]+Request i[j]；eed [i,j]：=Need [i,j]-Requesti[j]；

 计算结果为：

    Available0=Available0(2,3,0)-Request0(0,1,0)=(2,2,0)

    Allocation0=Allocation0(0,1,0)+Request0 (0,1,0)=(0,2,0)

    Need0=Need0(7,4,3)-Request0(0,1,0)=(7,3,3)

        

 

 

    可以找到一个安全序列（P1，P3，P4，P2，P0}，所以系统是安全的，系统可以立即将P1所申请的资源（0，1，0）分配给它。给P1分配资源之后，系统的资源数目Available=(2，2，0）

  31.在银行家算法中，若出现下述资源分配情：